現場總線FF技術在二級種子罐控制系統的應用

　　摘要：本方案結合實際工程，闡述生物化工行業反應容器的一般工藝過程及控制特點，充分發揮現場總線技術優勢，具有低成本，高性能的特點，為類似相關控制方案設計提供良好借鑒。

一．概述

　　對系統進行選型設計時，鑒于本項目需要對溫度、壓力、流量和 PH 值等參數進行精確的自動檢測和優化控制，有一定的復雜性，常規的儀表難以勝任，而采用基于工業 PC 的 PC-Based 系統，其安全可靠性難以保障， DCS 系統卻因其價格昂貴， 不利于應用在中小型系統上，PLC 系統 具有結構緊湊、功能齊全、速度快、可靠性高等 優點，但其每一個檢測或控制點都需要一對信號線接入相應 PLC 控制模塊，系統布線較多，安裝及維護成本較高，而選擇 基金會現場總線 （Foundation Fieldbus，簡稱 FF ） 系統，則能較好的解決上述問題。

　　FF 現場總線是儀表及過程控制領域向數字化通訊的轉變， 與其他的通訊協議不同之處在于： FF 現場總線旨在提供整個過程控制領域的應用解決方案，而不僅僅是數據傳輸的數字化，是一種全數字化、串行、雙向的通訊系統，將各種現場設備（傳感器、執行器、控制器等）連接在一起， 通過使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實現控制策略。

　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設計使得來自不同生產廠商的設備可以無縫的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到現場設備中）可以減少 I/O 設備、控制設備的數量（例如，卡件、機柜、電源等）。FF 現場總線允許在一條雙絞線上連接若干設備， 這條 雙絞 線就是現場總線。這種連接方式減少了連線的數量， 使得使用的線纜、安全柵、安裝盒數量大大減少， 易于安裝和維護，使施工費用、電纜費用、調試和維修成本節省 40% 之多 。 FF 現場總線技術增加了數據的分辨率，減少失真（沒有 A/D 或 D/A 轉換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現場總線設備所提供的自測試功能和通信功能大大減少了現場停車時間，增加生產現場的安全性，一旦監測到異常情況，或者需要進行于預防性維護，現場操作元及管理人員就可以被及時通知。所有這些 FF 現場總線所帶來的好處歸結起來，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統。反應容器自動控制 系統 選型時，FF現場總線 作為高檔系統配置，不失為一種優秀的解決方案。

　　DCS/PLC于FCS系統的結構比較：

　　DCS是基于模擬儀表的控制系統?，F場控制站與儀表間通過一對一的方式，實現單向的模擬信號傳輸， 易造成大量的導線消耗和繁重的維護量。

　　FCS是基于現場總線的分布式控制系統。它 將控制任務下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統的自主能力；儀表與控制系統間通過總線，采用一對多的方式，實現雙向的、全數字信號通訊。 FCS 具有對量程和零點進行遠程設定和超強的自診斷能力。

二．工藝過程

　　東藥萬噸 VC 生產過程采用了二步發酵新工藝，在發酵過程中需依介質的氫離子濃度和溶氧量調節菌種的生理狀態、數量及比例。經實驗測量， Vc 二步混菌發酵中氧化葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌的相互作用及其變化特性與二混菌發酵不同階段的環境狀態有關，菌種在溫度范圍為 29-30 度、壓縮空氣流量范圍為 175-185 每小時立方米、　壓力范圍是 0.02-0.05Mpa 條件下最為活躍，故通過對二級種子罐罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的調節，為菌種提供適宜的生化反應環境，提高反應效率，減低物耗與能耗，降低生產成本。

　　我們在選用的二級種子罐上，采用現場總線技術實現監測和對三個控制回路的控制，實現罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的自動控制以及 PH 值的自動連續檢測，在此基礎之上，實現種子罐的生化反應過程的最優控制，同時結合我們開發的 FF 全分布式控制系統軟件實現二級種子罐的計算機自動監控，為整個 VC 車間的自動控制系統提供解決方案。

　　二級種子罐控制系統涉及 4 個輸入參數， 3 個輸出參數。4 個輸入參數分別為種子罐的罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣的流量及發酵反映中物料的 PH 值。 3 個輸出參數用于控制 3 個閥門的開度，即種子罐的排氣閥、壓縮空氣的進氣閥、冷卻水的進水閥。

三．系統方案

1 ．系統網絡結構

　　東北制藥總廠二級種子罐控制系統采用 FF現場總線結構，主要檢測及控制儀表選擇中國科學院沈陽自動化研究所研發的NCS系列智能儀表， 整個 控制系統主要由 1 臺操作員站（兼工程師站）、 1 塊 FF HSE/H1 接口模塊、1塊 FF 現場總線溫度變送器、 1 塊 FF 現場總線壓力變送器、 1 塊 FF 現場總線 IF 儀表（ 4 通道）、 1 塊 FF 現場總線 FI 儀表（ 4 通道）構成， 其 硬件結構如下圖所示。

系統結構圖

　　操作站是系統操作監控的主要渠道，操作人員通過操作站所顯示的各種人機界面，可監控到所有的現場工藝參數及設備運行狀態，實現整個生產過程的監視、控制、啟停和調節，以自動和手動兩種方式確保生產過程的安全、經濟、高效。并對各種信息形成各種運行參數報表、運行趨勢曲線、操作記錄及指導、歷史數據信息、報警保護管理、人機操作等畫面，供運行人員監視。所有操作都具有權限控制，保證系統安全可靠運行。

　　FF 現場總線控制 系統主要設備性能如下：

　　FF HSE/H1 接口模塊 是通過以太網連接 FF H1 網段的關鍵設備。一個 H1 接口設備最多可以連接四個 H1 網段， 可以做 H1 網橋設備。本設備在現場總線基金會 (FF) 在 H1 協議的基礎上，將以太網技術作為底層協議加入到現場總線協議中，構建了基于工業以太網的H1 接口設備。用戶可以通過現場總線的組態軟件。完成對多個 FF H1 網段的組態、控制回路組態、控制邏輯組態、功能塊連接、報警趨勢組態、控制應用下載等功能。

　　FF現場總線溫度變送器 NCS-1-TT 主要通過熱電阻或熱電偶傳感器測量溫度，并按現場總線協議連接到 FF 現場總線系統中。

　　FF 現場總線壓力及液位變送器 NCS-1-LD ，是在普通型 1151 變送器的基礎上，采用 FF 現場總線技術， 自主研制的新一代智能變送器，是 1151 變送器的更新換代產品，用于測量流量、液位、表壓、絕壓、真空度和比重等，是過程控制必不可少的傳感設備，配有豐富的控制功能模塊，在完成檢測任務的同時，還能實現復雜的控制功能。

　　FF 現場總線 FI 儀表 NCS-1 -FI ，用于將 FF 現場總線中的數字信號轉換成 4-20mA 的模擬信號并連接到其它的設備，是現場總線與執行機構及控制裝置之間的轉換設備。

　　FF 現場總線 IF 儀表 NCS-1 - IF ，用于將 4-20mA 的模擬信號轉換成 FF 現場總線中的數字信號， 是傳統模擬儀表與現場總線之間的轉換設備。

2 ．操作站功能

系統 監控界面軟件 采用中國科學院沈陽自動化研究所研發的國家九五攻關科研成果“ SIAVIEW工業控制監控系統” 開發， 包括顯示、過程控制、測量值記錄和報表等多種功能。

操作員站的基本功能如下：

顯示系統工藝流程畫面，實時顯示監控數據

運行（手動 /自動）方式的切換，進行手動操作，各調節閥、開關閥操作等

建立并顯示趨勢曲線

調整過程設定值及相應的參數

歷史數據查詢功能， 為提高員工的工作責任心，明確操作人員的責任，將對整個生產過程的主要數據（罐內空氣腔溫度、罐內空氣腔壓力、罐內冷卻槽水溫）進行全程的跟蹤記錄，可避免各種因員工責任心不強造成生產的不穩定，同時為工藝改進提供依據

設置操作人員，系統維護人員，工藝技術人員，系統工程師等不同級別的授權密碼，不同的人員享有不同的操作權限。 所有人員需使用密碼登陸后才能進入控制系統完成相應的操作功能

顯示并確認報警

報表顯示 /打印

　　監控界面軟件 可以顯示系統內所有過程點，包括罐內溫度、壓縮空氣流量、罐內壓力及 PH值等，對顯示的每一個過程點，均顯示其標號、說明、數值、性質、工程單位等等。

　　監控界面軟件 提供棒狀圖顯示功能，操作員可通過動態棒狀圖的變化了解各種過程變量的變化， 棒狀圖的顯示比例可以根據工藝要求進行調節。

　　監控界面軟件 提供的趨勢圖提供實時趨勢和歷史趨勢兩種曲線。可以在趨勢圖上顯示 生產過程的主要數據（罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣流量及 PH 值等） ，能夠查詢趨勢圖上任意一點在任意時刻的實際值。

　　監控界面軟件 所提供的報警功能能夠對預先設定任何一個模擬量報警點實施實時監控， 當某一點超過報警限時將在屏幕上有　　高亮度的報警顯示，并發出報警聲音，提示操作人員進行相應的緊急操作，對整個生產過程進行分析。

3 ．系統控制點分布

　　二級種子罐控制系統涉及 4 個輸入參數， 3 個輸出參數。 4 個輸入參數分別為種子罐的罐內溫度、罐內壓力、 壓縮空氣的流量及發酵反映中物料的 PH 值。 3 個輸出參數用于控制 3 個閥門的開度，即種子罐的排氣閥、壓縮空氣的進氣閥、冷卻水的進水閥。

溫度 :

罐內溫度：集中顯示，現場顯示

壓力 :

罐內壓力：集中顯示，現場顯示

流量 :

罐內壓縮空氣流量：集中顯示，現場顯示

PH值:

物料 PH值：集中顯示

4 ．系統的控制功能

　　本控制系統根據工藝要求，主要對反應罐內溫度、壓力、壓縮空氣通氣量進行自動控制以及 PH 值的自動連續檢測，在此基礎之上，實現種子罐的生化反應過程的最優控制，同時，對反應罐內溫度、壓力、壓縮空氣通氣量 等關鍵參數設置報警， 及時向操作人員反饋現場情況，保障了生產的安全及產品質量的穩定。

　　系統主要的報警、聯鎖和控制如下：

反應罐內溫度、壓力、壓縮空氣通氣量 等自動報警，當以上測量值達到報警界限時，在監控軟件界面顯示報警狀態，操作員站工控機蜂鳴器發出報警聲音，提示操作人員及時處理

罐內 溫度控制： 罐內溫度正常范圍為 29-30度， 采用 FF現場總線溫度變送器檢測 二級種子罐的罐內溫度，FF現場總線FI儀表（將總線信號轉換為傳統4-20mA信號）控制“ 冷卻水調節閥”調節罐內溫度

罐內壓力控制： 罐內壓力正常范圍是 0.02-0.05MPa ， 采用 FF現場總線 壓力 變送器檢測 二級種子罐的罐內壓力， FF現場總線FI儀表控制 二級種子罐的“排氣調節閥”調節罐內壓力

罐內空氣流量控制： 壓縮空氣流量正常范圍為 175-185每小時立方米， 流量計采用上海橫河電機有限公司的渦街流量計， 輸出信號為標準的4-20mA電流信號， 用于檢測二級種子罐的壓縮空氣的進入量，采用 FF現場總線IF儀表（將傳統4-20mA信號轉換為總線信號）將 流量計數據轉換為 FF總線信號， FF現場總線FI儀表控制 二級種子罐的 “ 壓縮空氣進氣調節閥”調節罐內壓縮空氣流量

罐內 PH值檢測：　PH計選用 METTLER公司生產的PH測量儀表，輸出信號為標準的4-20mA電流信號， 采用 FF現場總線IF儀表將 PH計數據轉換為FF總線信號

動靜流程畫面的布局設計，實時過程顯示，實時報警顯示和管理，直觀的趨勢顯示

　　本控制系統通過控制反應罐內溫度、壓力、壓縮空氣通氣量來滿足工藝要求，實現生化反應過程的最優控制。由于是制藥行業生化反應，控制精度高，以罐內溫度為例，與設定值誤差不超過 0.1攝氏度，不易于實現，因此，在進行方案設計及現場調試過程中，充分考慮到以上要求，除選擇精度高的進口執行設備（如調節閥）外，還利用FF現場總線智能儀表先進的PID調節算法， 構成PID控制回路，并將該算法下載到現場智能儀表中，做到真正的分布式控制，極大提高了系統安全性和穩定性。 控制圖如下：

系統特點

FF 現場總線每個網段（一個 FF HSE/H1 接口模塊可支持四個網段）可以掛接個 6 本安型 FF 現場總線設備或 32 個非本安型 FF 現場總線設備， 本方案中 FF HSE/H1 接口模塊帶一個網段， 該網段上現掛有 4 個非本安型 FF 現場總線設備， 還可再掛接 124 個非本安型 FF 現場總線設備，有利于將來罐體增加測點。

操作員站采用工業 PC ，適合惡劣的工業環境。

FF H1 現場總線為通訊網絡，總線設備可帶電上、下網，有利于在線投入。

系統采用 FF 現場總線智能儀表提供的 PID 算法，保證系統調節功能最佳。

使用 OPC 技術，高效的、基于多任務的 OPC 內部實時數據庫引擎，既可以保證系統實時數據采集的快捷， 又可以向支持 OPC 規范的多種系統開放。

四．應用效果

　 系統運行后，達到了以下一些顯著效果：
　 1 ．可靠而穩定的實現了對現場工藝參數的記錄、顯示以及儲存，為改善工藝及生產管理提供了寶貴的依據。
2 ．實現了對 3 個被控量的全自動控制，同時實現了對 3 個調節閥的遠程控制，降低了工人的勞動強度。
3 ．生產和產品質量較手工操作穩定，生產效率得到大幅提高，使 VC 的 總收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ，產量增至 11500 噸， 自 2001 年 3 月正式投入運行，系統運行穩定可靠，整套控制系統具有施工簡單、操作方便、控制品質高、 易于集成、監視直觀等優點，在實際應用中取得了良好的應用效果，為企業創造了可觀的經濟效益。

　　在生物化工領域，大量存在類似反應罐控制需求，因工藝不同，生產流程、控制對象和控制參數不盡相同，但都需要對溫度、壓力（微正壓）、流量以及 PH 值等進行精確控制，中國科學院沈陽自動化研究所推出的現場總線控制系統具有全數字化、智能化、網絡化和開放的特點，以 FF 現場總線技術為核心， OPC 技術為紐帶， 將現場總線儀表、模擬儀表、 分布式智能 I/O 、 DCS 和 PLC 等工業自動化設備有機地集成在一起，自動化程度和控制精度都較高，為企業綜合自動化系統提供一套完整的解決方案。